直升机抗坠毁元件构形设计分析研究

为探究差异化的构形参数对复合材料波纹梁吸能性能影响,针对多种构形波纹梁,进行动态压溃试验,对试验现象分析及试验数据处理,给出了多种构形波纹梁的载荷-时间曲线和破坏模式。采用有限元软件ABAQUS模拟波纹梁的瞬态冲击过程,得到吸能特性参数比吸能(SEA)和平均载荷值等,并与试验结果对比,对比结果验证了数值模型的有效性。通过试验及数值分析结果讨论了波纹构形对波纹梁峰值载荷和吸能能力的影响,对不同构形波纹梁以及增加薄弱环节设计的吸能差异作出评估,为实际工程设计提供参考依据。结果表明,利用等截面剖面杆轴向压缩载荷作用下的临界应力方程将波纹梁梁高/波幅比、波长/波幅比设定在相应关系式时波纹梁结构表现出较为稳定的压溃过程,具有一定的应用价值;波纹腹板圆角R值除了对峰值载荷及平均载荷有影响,对波纹梁破坏模式改变也有一定关系,薄弱圆角r值能比较好的改善峰值载荷大小。     

薄弱环节对复合材料波纹梁吸能能力的影响

薄弱环节设置是复合材料吸能结构的关键技术,良好的设计可以使复合材料结构产生稳定的渐进压溃,从而吸收较多的能量.基于波纹梁准静态轴向压溃实验结果,运用MSC/DYTRAN有限元软件建立了三组不同尺寸的碳纤维-环氧树脂波纹梁的有限元模型,在数值模拟结果与实验结果基本吻合的基础上,分析了不同薄弱环节设置对复合材料波纹梁峰值载荷、吸能能力的影响,并进一步比较了不同薄弱环节设置的波纹梁在以6.5m/s的速度碰撞刚性地面时的能量吸能能力.     

复合材料波纹梁冲击试验与数值模拟

为了探究复合材料波纹梁的吸能性能,针对铺层形式分别为[(±45)3/(0,90)/(±45)3]、[(±45)8]和[(±45)7]的3种复合材料波纹梁元件,进行了动态冲击试验,得到了吸能载荷-位移曲线,并对其损伤破坏形貌进行了分析。以连续损伤力学为基础,结合改进的Hashin损伤判定准则以及损伤演化规律,提出了针对波纹梁耐撞性损伤分析的刚度退化模型,并基于有限元软件平台开发了适用于波纹梁渐进损伤分析的子程序。对3种不同结构形式的波纹梁进行了渐进失效数值分析,模拟得到了能量评估参数比吸能(SEA)和平均载荷值,并将模拟结果与试验结果进行了对比分析。比较分析了不同薄弱环节复合材料波纹梁的吸能能力。结果表明:波纹梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效;平均压溃载荷的相对误差不超过12%,能够满足工程应用要求;薄弱环节的设置需综合考虑复合材料性能和铺层方式等因素。     

典型民机机身段水上冲击数值模拟方法及其耐撞性研究

为了改善民机在紧急迫降情况下的安全性能,对典型机身段水上冲击数值模拟方法及其冲击特性进行了研究。通过合理的简化建立了机身段有限元模型,对有限元方法(FEM)、任意拉格朗日/欧拉方法(ALE)和光滑粒子方法(SPH)水体模型进行了研究,探讨了水体材料模型对机身段结构动态响应特性的影响。在7 m/s垂向冲击速度下,对比分析了水面和刚性地面情况下的机身段结构的耐撞性能。结果表明ALE方法具有最佳计算精度和计算效率。由于忽略了偏应力,采用空材料得到的机身结构响应与弹性流体和弹塑性水体材料有明显不同。在水上冲击过程中,由于水体耗散了大量冲击动能,因此机身加强框变形较小。机身底部蒙皮结构承受较大的均布载荷,因此蒙皮吸能结构吸收了较多的冲击动能,是最重要的吸能结构之一。相对于刚性地面,水面冲击情况下机身具有更小的加速度过载。在紧急迫降情况下,选择湖泊或者江河等水域作为迫降地点可以减小乘员承受加速度过载。     

Mg/Al波纹复合板抗冲击性能研究

目的 比对波纹轧制结构和平面复合结构的Mg/Al复合板抗冲击性能与吸能机制.方法 采用波纹辊轧制工艺制备Mg/Al复合板,使用半球形铝合金弹丸对传统平面复合板与波纹复合板进行不同速度下的冲击试验研究,并对比分析2种复合板的损伤机理,探明波纹结构对复合板抗冲击性能的影响.结果 Mg/Al平面复合板抗半球形弹丸冲击的吸能机制主要是通过靶板的塑性变形、剪切破坏、拉伸断裂、分层破坏和弹丸与靶板间摩擦等形式来吸收能量.波纹复合板对冲击能量的吸收主要依赖靶板的局部塑性变形、沿着波纹方向的开裂、结合界面的分层以及弹丸与靶板间的摩擦耗能.结论 当冲击速度低于弹道极限速度时,波纹复合板的抗冲击性能优于平面复合板,高于弹道极限速度时,2种复合板的抗冲击性能和耗能程度相当.     

功能梯度下肢保护装置设计与优化

针对车辆底部爆炸冲击环境下的乘员安全问题，该文结合试验研究与有限元仿真，研究了乘员下肢在爆炸冲击环境下的运动及受损情况；设计了一种蜂窝铝防雷脚垫作为乘员下肢保护装置，研究了脚垫在爆炸冲击环境下的防护性能；研究了不同梯度结构对车内乘员下肢响应的影响；对蜂窝铝防雷脚垫进行多目标优化设计，得到厚度梯度型蜂窝铝防雷脚垫。结果表明：该文设计的蜂窝铝防雷脚垫可以通过吸收能量、降低冲击强度有效降低乘员下胫骨力，减小乘员下肢损伤；梯度结构相比于均质结构有更好的吸能特性；不同梯度结构对乘员下肢的防护效果不同，厚度梯度对乘员下肢响应的影响最大；与优化之前相比，优化后的乘员下肢保护装置能够使乘员左下胫骨力降低26.35%，右下胫骨力降低24.69%，脚垫总质量降低56.59%。     

锥形多胞薄壁管斜向冲击吸能特性仿真研究

采用有限元仿真,以比能量吸收和冲击峰值力为评价指标,研究了一种轴对称锥形多胞薄壁方管在不同冲击角度下的失效模式和吸能特性,分析了包括长径比、壁厚和锥度在内的结构参数对其斜向冲击吸能特性的影响,并拟合出可用于斜向冲击下比能量吸收和冲击峰值力预测的解析公式。结果表明,锥形多胞薄壁管在斜向冲击下的吸能特性明显优于其他类似薄壁吸能结构;结构参数对其吸能特性影响明显;拟合得到的解析公式为此类结构优化设计提供了参考和依据,并有利于工程实际应用。     

冲击载荷下泡沫铜-聚氨酯的缓冲性能

目的通过冲弯实验,测定泡沫铜-聚氨酯复合材料结构在动载荷作用下的缓冲吸能性能,对比研究该复合材料结构抗高冲击、高过载的性能差异。方法向泡沫铜试件中填充不同体积分数的聚氨酯,按照《金属常温冲击韧性实验法》在夏比冲击试验机上进行冲弯试验,测定试样的吸收功值,从而对比探究该种复合材料的力学性能。结果聚氨酯在试样中所占体积分数为50%时其能量均值相对最大,此时材料韧性较好,且材料抵抗冲击载荷能力较强。结论将聚氨酯填充到开孔泡沫铜材料中可构成一种性能优良的抗冲击吸能结构,其性能优于泡沫铜和聚氨酯单体,在抗高冲击、高过载的军工产业和民用产业中具有广阔的应用前景。     

仿羊角管状复合材料结构抗冲击性能

羊角因其独特的管状微观结构显示出优异的抗冲击性能。本文从羊角微观结构汲取灵感，设计了仿羊角管状结构。基于3D打印熔融沉积技术，采用短切碳纤维增强尼龙复合材料制备了仿羊角管状结构(HTS)。冲击实验结果表明HTS试样的冲击载荷-位移曲线中存在较长的高载荷平台区，在此阶段吸收了大量的冲击能量，较非仿生样品吸能提升了143.9%，比吸能值提升了178.8%。提出了HTS冲击有限元模型，仿真预测结果和实验获得的冲击响应及裂纹扩展路径结果吻合较好，验证了该模型的有效性。采用该模型分析发现：在冲击过程中细管周围产生较大的应力集中，使裂纹发生偏转进而捕获裂纹，并在细管其他位置重新萌生新的裂纹并朝下一个细管扩展，这个过程不断重复，从而吸收了大量的冲击能量。最后，基于该有限元模型探索了几何参数和材料性能对HTS冲击吸能的影响规律。该研究探索了仿羊角管状复合材料结构冲击吸能特性和吸能机制，对新型抗冲击装备的设计和制备具有重要意义。     

冲压式空投气囊着陆缓冲性能仿真研究

目的 以冲压式空投气囊为研究对象, 对气囊的着陆缓冲过程进行有限元仿真, 以研究其缓冲性能。方法 使用SolidWorks软件建立了气囊和装备的几何模型, 导入到有限元分析软件Ansys/LS-DYNA中划分网格, 加载并进行求解, 并用后处理软件Ls-prepost对仿真结果进行分析, 得出了气囊的体积和压力变化曲线, 以及空投装备的位移、 速度和加速度的变化曲线。结果 气囊在着陆缓冲过程中的最大压力为0.198 MPa, 空投装备的着陆冲击加速度峰值为175 m/s（ 2 17.9g）。结论 空投装备的最大冲击过载是17.9g, 装备最大过载Amax＜允许过载20g, 气囊满足性能要求。气囊内压力峰值对于气囊的设计有重要影响, 以气囊峰值压力0.198 MPa为参考标准, 在气囊材料选取和气囊加工方面要确保气囊能承受相当的峰值压力, 以避免缓冲时气囊发生爆裂。     

结构参数对CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板低速冲击性能的影响

针对碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）蒙皮-铝蜂窝夹层结构,使用半球头式落锤冲击试验平台进行了低速冲击载荷下蜂窝芯单元尺寸对夹层板冲击性能影响的试验探究,并基于渐进损伤模型、内聚力模型和三维Hashin失效准则,在有限元仿真软件ABAQUS中建立了含蒙皮、蜂窝芯、胶层的CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板精细化低速冲击仿真模型,仿真结果与试验结果吻合较好。利用该数值模型进一步探究了蜂窝芯高度、蒙皮厚度和蜂窝芯壁厚等结构参数对于蜂窝夹层板低速冲击吸能效果的影响。结果表明:增大铝蜂窝芯的单元边长,会减小蜂窝夹层板的刚度,提升夹层板的吸能效果;芯层高度对夹层板的刚度及抗低速冲击性能影响较小;增大蜂窝夹层板的蒙皮厚度,可以提高夹层板的刚度,但会降低夹层板的吸能效果;增大蜂窝芯的壁厚,可以提高夹层板的刚度和抗低速冲击性能。      

内凹弧形蜂窝夹芯板低速弹道冲击试验与数值仿真

面向弹道冲击防护，设计制备了1060铝合金材质的内凹弧形(re-entrant circular, REC)和传统内凹(re-entrant, RE)六边形蜂窝夹芯板。采用钢质圆柱弹低速冲击试验结合有限元数值仿真，研究对比了两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击动态响应与防护性能。进而，利用经验证的有限元模型，仿真分析着靶速度对两类蜂窝夹芯板的低速弹道冲击最大永久压缩量、局部泊松比值和各部件吸能占比的影响。最后，分析了REC蜂窝胞元的圆弧胞壁半径、胞元长度等结构参数对夹芯板低速弹道冲击响应的影响。结果表明：相比RE蜂窝，REC蜂窝夹芯板在相同弹道冲击载荷下最大永久压缩量更小，抗弹性能更优，并且低速下优势更显著；随着胞元长度和圆弧胞壁半径减小，REC蜂窝夹芯板的抗弹性能可进一步提升。     

钢筋混凝土梁冲击后剩余承载力及承载机制研究

冲击后剩余承载性能是评估结构抗冲击性能的重要指标。为研究钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)梁冲击后剩余承载力及损伤后承载机制，对12片简支RC梁进行了落锤冲击以及冲击后静力加载试验，基于显式动力有限元分析方法对冲击及其冲击后静载全过程进行了仿真模拟，探讨了冲击能量和构件参数(拉筋率、压筋率、箍筋率和混凝土强度)对RC梁冲击后剩余承载性能的影响，基于试验和数值模拟数据得到了损伤后RC梁剩余承载力的预测公式，分析了影响冲击损伤RC梁剩余承载力的本质原因。研究结果表明：RC梁冲击接触局部区域混凝土破损，跨中区域产生较为严重的垂直裂缝和斜裂缝；随着冲击能量的增大，梁的冲击损伤更为严重。不同冲击参数下RC梁的承载力发生不同程度的下降，受压钢筋和箍筋配筋率的增加降低了承载力退化程度，而增加受拉钢筋配筋率虽然可以提高RC梁原始承载力，但其冲击后承载力下降比例也越大，混凝土强度对于受冲击损伤的RC梁剩余性能没有显著的影响。冲击后RC梁承载力下降与否与其在极限状态的破坏控制模式相关。     

VRB变厚板典型结构件性能对比试验

目的研究VRB与等厚板成形件在吸能特性和抗弯性方面的差异。方法通过准静态压溃、动态压溃及三点弯曲试验,获得并对比分析VRB变厚板的帽型梁典型结构件性能。结果变厚帽型梁的特殊结构在进行压溃变形时能起到诱导槽的作用;VRB帽型梁相比同质量的等厚板帽型梁,降低了峰值力,且吸能效果更优;随着帽型梁厚度(质量)的增加,冲击速度的提高,峰值力升高,吸收的能量增大;变厚板帽型梁的过渡区位置、过渡区长度、厚度分布等结构参数对抗弯承载性能有较大的影响。结论变厚板与等质量的等厚板成形件相比,有更好的结构性能特性。     

V型折叠式夹层板横向压皱吸能特性研究

金属夹层板具有优越的力学性能,良好的吸能特性可用于船舶耐撞、抗爆防护结构设计。以V型折叠式夹芯结构为研究对象,通过试验分析夹芯层结构变形模式、压皱力历程曲线等,得到了夹芯层结构横向压皱力学性能,采用有限元软件Abaqus对其在横向受压时的力学行为进行数值仿真分析,分析结构压皱动态渐进屈曲过程、变形模式、吸能效率、平均压皱强度等。对比分析表明,V型夹芯层结构在横向压皱载荷下发生屈曲、褶皱变形模式,变形模式决定了压皱力学行为及其性能,其中单元变形模式I的吸能效率较高。采用合理的模型化技术得到的有限元计算结果与试验结果两者吻合较好,验证了有限元数值仿真的计算精度。     

一种薄壁吸能结构的设计优化

研究了一种薄壁结构在耐撞指标下的轴向冲击吸能特性。采用非线性有限元软件ABAQUS对结构的冲击过程进行仿真,并结合径向基函数法(RBF),根据耐撞性指标优化了这种吸能结构的截面,得到了较为理想的结构形式。数值结果表明采用该方法可以精确地确定优化参数,使结构比吸能(Es)得到明显提高。     

新型负刚度超材料吸能结构的设计与优化

为了提高负刚度超材料的吸能特性，提出了一种加固圆柱形负刚度超材料结构；它由圆柱面斜梁单元和内部周期性平面斜梁单元组成，其吸能性能主要通过斜梁单元的负刚度特性实现。通过理论解析和有限元分析对结构的力学性能进行研究，结果表明斜梁单元高厚比值越大结构的负刚度和双稳态性能越明显且两种斜梁单元的高厚比取值越接近结构稳定性越好；同时通过与空心圆柱形负刚度超材料结构的对比，证实了加固结构提高了空间利用率以及增强了吸能效果。最后以航天器非火工分离装置为应用背景，基于Kriging代理模型对所提出的新型负刚度超材料吸能结构进行了优化设计，总吸能水平和单位吸能水平均相对增长了20.47%。     

铝合金圆波纹夹芯板对半球形体的低速冲击响应特性及失效机制

为研究铝合金圆波纹夹芯板在低速冲击下的吸能特性、变形情况和失效机理,利用落锤进行低速冲击试验,揭示冲击位置和初始冲击能量对圆波纹夹芯板低速冲击响应特性的影响。冲击位置分别为波纹夹芯板的节点和基座,冲击能量范围为120～400 J。实验结果表明,夹芯板主要发生拉伸断裂失效,冲击能量和位置对夹芯板动态载荷响应存在显著的影响。夹芯板的最大冲击载荷随着冲击能量增加而增加,并且节点冲击的最大载荷高于基座冲击的最大载荷,两者的差距随冲击能量增加而减小。夹芯板节点位置冲击的载荷可以迅速达到峰值,而基座位置冲击的载荷需要经过一个过程才能达到峰值。     

抗高过载防护结构的设计与性能测试

目的弹载记录仪在回收过程中,存在记录仪因硬着陆产生的高冲击力和高过载加速度使仪器损毁而致有效数据失效的现象。针对该问题设计新型双层壳体两级缓冲隔离的电路防护结构,并进行性能测试。方法结合Ansys/Workbench有限元数值模拟软件仿真分析该结构在冲击过程中的形变和受冲击过载特性,同时使用马歇特锤对使用该防护结构的记录仪模拟高冲击、高过载环境实验,由记录仪存储双层防护壳体内外嵌入的加速度传感器信号,并对多次试验信号数据进行处理和分析。结果在过载加速度小于25 000g时,该多层防护结构具有良好的缓冲效果,对记录仪保护效果良好;各层材料的声阻抗差别会影响整体保护效果,差别越大效果越好。结论该防护结构在高过载冲击环境下能有效衰减冲击效应,保护电子设备的安全。     

波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构准静态压缩吸能特性

随着车船运输量与日俱增,由此引发的车船撞击结构物的事故频发,造成严重的生命财产损失与结构破坏,亟需为桥梁等结构物设置防护吸能装置。该文提出了一种新型波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料吸能结构。该复合结构以聚氨酯泡沫为芯材,玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced polymer,简称GFRP)为面板,在波纹型泡沫的间隙铺设双轴向玻璃纤维布,利用真空导入工艺成型。通过波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构的准静态压缩试验,研究了波纹腹板与面板壁厚以及波长对夹芯结构破坏模式、承载能力以及吸能特性的影响。试验结果表明：腹板壁厚较大、波长较短的试件吸能效果最优。此外,对试验工况进行了有限元数值模拟,分析了腹板壁厚与泡沫密度因素对试件承载力的影响,为其在防撞领域的应用提供一定依据。